基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師：馬旭東 職稱： 講師 學(xué)生姓名： 郭浩泉 學(xué)號(hào)： 20102410105 專 業(yè)： 電子信息工程 院（系）： 信息工程學(xué)院 完成時(shí)間： 2014年5月18日 2014年 5月 18日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書附表一 題目來源：課題名稱基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人姓名郭浩泉學(xué)號(hào)20102410105指導(dǎo)教師姓名、職稱馬旭東 講師指導(dǎo)時(shí)間/地點(diǎn)院辦公室專業(yè)班級(jí)電子信息工程一班1、 設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容1.了解超聲波測(cè)距的特點(diǎn)；2.熟悉proteus設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用；3.設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心的低成本、高精度、LCD數(shù)字顯示、D

2、S18B20溫度補(bǔ)償、蜂鳴器報(bào)警超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法（最好做出實(shí)物）；二、設(shè)計(jì)（論文）的主要技術(shù)指標(biāo)1.測(cè)量范圍：2-450cm；2.測(cè)量精度：1cm；3.工作電壓：DC 5V；4.工作頻率：40kHz；三、進(jìn)度安排1-2周：初步了解畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的實(shí)際意義，課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況；3-4周：編寫開題報(bào)告；5-6周：完成硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)行硬件型號(hào)選擇，完成系統(tǒng)的構(gòu)建；7-8周：畫電路圖，方框圖，程序流程圖；9-10周：設(shè)計(jì)軟件部分；11-12周：進(jìn)行綜合調(diào)試；13-14周：撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）提交的文檔及基本要求1畢業(yè)論文一本（包含封面、畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書

3、、開題報(bào)告、畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查I、II、目錄、中英文摘要、論文內(nèi)容及參考文獻(xiàn)、成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)意見等文件按上述順序一塊裝訂成冊(cè)）2不少于5000漢字的科技翻譯資料一份3、畢業(yè)論文簡(jiǎn)介（A4紙12頁(yè)）（包含題目、專業(yè)、年級(jí)、姓名、指導(dǎo)教師、畢業(yè)論文所做的工作、解決的問題、創(chuàng)新之處等）4專業(yè)學(xué)習(xí)總結(jié)一份（不少于5000字）此表指導(dǎo)教師填后、復(fù)印，指導(dǎo)教師、學(xué)生各保存一份，交院教學(xué)辦一份畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告附表二課題名稱基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名郭浩泉學(xué)號(hào)20102410105專業(yè)班級(jí)電子信息工程一班一、選題的目的意義目的：伴隨著高效高頻空氣換能器的研制和電子技術(shù)的發(fā)展，使得空氣中的超聲檢測(cè)技

4、術(shù)顯示出新的活力，并取得到了廣泛應(yīng)用。利用空氣中超聲回波檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)距離的非接觸式測(cè)量。除超聲方法外，其它物理方法也可用于物體的非接觸式檢測(cè)，如電磁或光學(xué)的方法。但它們均對(duì)樣品性質(zhì)有一定要求，或需要樣品導(dǎo)電，可需要其表面具有較高的光學(xué)反射率。而且，采用光學(xué)方法有時(shí)代價(jià)很高（如三角關(guān)系法或回波法）。有時(shí)所需處理的信息量很大（如攝像法）?？諝怦詈铣晸Q能器系統(tǒng)簡(jiǎn)單，性能價(jià)格高。由于空氣中聲波速度慢，其回波信號(hào)中包含的沿聲傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易被檢測(cè)出來，具有很高的分辨率。意義：在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)械手得到越來越廣泛的應(yīng)用。在裝配線上，要求機(jī)械手能準(zhǔn)確抓起工件，這首先要求機(jī)械手能識(shí)別工件，判斷

5、其位置、取向等，這就是所謂的“機(jī)器”視覺問題。可將距離傳感器直接安裝于機(jī)械手上，這樣機(jī)器人的動(dòng)作可根據(jù)實(shí)際任務(wù)自動(dòng)控制。另外，超聲波測(cè)距在液位測(cè)量、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。二、國(guó)內(nèi)外研究綜述國(guó)際上目前采用較多的測(cè)距方法有脈沖回波法、連續(xù)波調(diào)頻法、相位法和脈沖響應(yīng)-低通變換法等。超聲回波經(jīng)常采用檢測(cè)第一個(gè)回波周期的辦法來測(cè)量回波時(shí)間。但由于噪聲的存在，第一個(gè)回波周期經(jīng)常會(huì)被漏測(cè)或誤測(cè)。這時(shí)一般可采用增加測(cè)量次數(shù)的辦法來提高測(cè)量精度，即多次平均法。為了提高時(shí)間測(cè)量的精度，也可以采用脈沖重疊法、回波激發(fā)法等技術(shù)來進(jìn)一步提高精度。另一種測(cè)量回波時(shí)間的方法是檢測(cè)回波包絡(luò)的最大值。Figu

6、eroa等的測(cè)量表明，得用包絡(luò)法結(jié)合相位法測(cè)量40KHz回波信號(hào)，測(cè)距精度可達(dá)0.025mm，測(cè)距范圍2m。Lee等提出了采用調(diào)幅波來激發(fā)的三頻率相位比較法，對(duì)于500mm的測(cè)距范圍，測(cè)距精度可達(dá)0.3mm。Homberg等建立了一套采用白噪聲激發(fā)、利用帶通至低通變換脈沖響應(yīng)的包絡(luò)來求回波時(shí)間的方法，對(duì)于300mm的測(cè)距范圍，測(cè)距精度可達(dá)0.25mm。三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所用的方法本設(shè)計(jì)擬采用模塊化設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)擬采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，采用HY_SRF05超聲波傳感器作為超聲波發(fā)射、接收模塊，采用LCD1602液晶顯示器作為顯示模塊，采用DS18B20溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償模

7、塊，5V有源蜂鳴器作為報(bào)警模塊，S8550PNP型三極管作為開關(guān)電源模塊。四、主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況1郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略.電子工業(yè)出版社，20092袁易全.近代超聲原理及應(yīng)用.南京大學(xué)出版社，1996.3馮若.超聲手冊(cè).南京大學(xué)出版社，1999.4彭偉.單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例基于8051Proteus仿真.電子工業(yè)出版社，2009.5何希才.常用傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐.科學(xué)出版社，2011. 設(shè)計(jì)所需資料主要從圖書館借閱。五、指導(dǎo)教師審批意見 該選題切合實(shí)際需要，超聲波測(cè)距日常應(yīng)用廣泛，其專用的傳感器模塊前景廣闊，且目前研究較為成熟

8、，合適的芯片便于查找。該生設(shè)計(jì)方法得當(dāng)，步驟合理，選題難度適中，應(yīng)該能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。簽字： 2014 年 2 月 26 日畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中期檢查附表三 2014年 3 月 20日課題名稱基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名郭浩泉專業(yè)和班級(jí)電子信息工程一班指導(dǎo)教師馬旭東一、畢業(yè)設(shè)計(jì)具體內(nèi)容、目標(biāo)和可能遇到的問題內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)包含超聲波發(fā)射/接收模塊、溫度補(bǔ)償模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。由單片機(jī)作為主控芯片，協(xié)調(diào)各模塊有條不紊的工作，達(dá)到測(cè)距的目的。目標(biāo)：本設(shè)計(jì)應(yīng)能夠提供2cm_450cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度應(yīng)達(dá)到1cm?？赡苡龅降膯栴}：本設(shè)計(jì)可能遇到的

9、最大問題就是超聲波的接收問題，由于超聲波接收探頭所接收到的信號(hào)往往比較弱，且附帶著噪聲，因此對(duì)接收信號(hào)的處理就成為本設(shè)計(jì)最大的難題。另外,第一次操作DS18B20溫度傳感器，對(duì)其總線協(xié)議和時(shí)序操作也不太熟悉。二、采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析研究方法：首先通過大量閱讀文獻(xiàn)了解選題背景、意義、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，通過參考文獻(xiàn)和所學(xué)知識(shí)，了解選題的所需模塊和各模塊的工作原理。最后運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法，逐個(gè)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)。技術(shù)路線：本設(shè)計(jì)采用40KHz的超聲波作為測(cè)量媒介。整個(gè)系統(tǒng)包括主控電路、超聲波發(fā)射、接收電路、溫度補(bǔ)償電路、報(bào)警電路、顯示電路。 實(shí)驗(yàn)方案：通過閱讀文獻(xiàn)、查找資料，選定

10、系統(tǒng)各模塊所需芯片，根據(jù)芯片要求設(shè)計(jì)外圍電路，進(jìn)行系統(tǒng)整體軟硬件設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行硬件焊接，進(jìn)行軟硬件調(diào)試。可行性分析：聲波聲強(qiáng)與頻率的平方成正比，本設(shè)計(jì)采用40KHz的超聲波在空氣中的衰減緩慢。DS18B20測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫精度可達(dá)到0.065，可以精確地對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到精確測(cè)量目的。 三、指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生出勤、文獻(xiàn)閱讀等方面的評(píng)語(yǔ) 該生積極出勤，能夠自主學(xué)習(xí)，刻苦鉆研，并且嚴(yán)格按照擬定的設(shè)計(jì)步驟，完成設(shè)定的任務(wù)。積極查找超聲波測(cè)距方面的文獻(xiàn)資料，在課題研究的相關(guān)問題上，積極詢問老師，課題設(shè)計(jì)進(jìn)展良好。 簽字： 2014 年 3 月 20日此表學(xué)生填寫，指導(dǎo)教師給出評(píng)語(yǔ)后，復(fù)印件于第五周交院教

11、學(xué)辦公室。畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中期檢查附表四 2014 年 4 月 20日課題名稱基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名郭浩泉專業(yè)和班級(jí)電子信息工程一班指導(dǎo)教師馬旭東一、階段性結(jié)果經(jīng)過幾周查閱書籍、文獻(xiàn)工作，對(duì)超聲換能器的基本原理有一定程度的認(rèn)知，同時(shí)對(duì)超聲波的發(fā)射和接收有了一定程度的理解，尤其是超聲波的發(fā)射過程，學(xué)會(huì)了MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片的電路和操作。另外，通過查閱相關(guān)資料，逐步理解了對(duì)液晶和溫度傳感器的時(shí)序操作。同時(shí)也學(xué)會(huì)了S8550 PNP型三極管開關(guān)設(shè)計(jì)和操作方法。現(xiàn)在已經(jīng)初步畫出整個(gè)系統(tǒng)的電路圖。二、存在的問題現(xiàn)在存在的最大問題還是對(duì)超聲波接收模塊的理解。現(xiàn)在對(duì)于信號(hào)的放大電路、濾波電路、

12、比較輸出電路都沒有很深的理解，還有就是比較電路閾值電平的選擇過程比較困難。另外，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)也是目前存在的很大的問題，包括液晶和溫度傳感器讀/寫操作的時(shí)間延時(shí)問題，實(shí)時(shí)性測(cè)距的問題等。三、后一步工作設(shè)想 以后要認(rèn)真翻閱模擬電子技術(shù)方面的書籍，特別是由集成運(yùn)放構(gòu)成的各種電路，如，同/反相放大電路、加減運(yùn)算電路、積分電路、微分電路、各種濾波電路等，同時(shí)還要學(xué)習(xí)LM324的單電源操作方法。另外也要多查閱單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方面的書籍，盡快學(xué)會(huì)液晶和溫度傳感器的時(shí)序操作。四、指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生出勤、論文進(jìn)展方面的評(píng)語(yǔ) 該生積極出勤，刻苦學(xué)習(xí)課題相關(guān)內(nèi)容，能夠按步驟完成擬定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)問題上，如芯

13、片外圍電路功能，能發(fā)現(xiàn)問題并且及時(shí)詢問老師?，F(xiàn)在正在進(jìn)行元器件購(gòu)買和硬件焊接任務(wù)。 簽字： 2014 年 4 月 20日指導(dǎo)教師組織學(xué)生口頭匯報(bào)后，學(xué)生填寫該表，教師給出評(píng)語(yǔ)后，于第十周交院教學(xué)辦公室。基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要 距離是在不同場(chǎng)合中經(jīng)常需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，人們一直都在研究和探討實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量的最佳方法。介紹了超聲波測(cè)距的原理，利用超聲波傳感器作為核心器件，采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)了對(duì)5cm360cm距離的準(zhǔn)確測(cè)量。該測(cè)距系統(tǒng)由AT89S52單片機(jī)、HY_SRF05超聲波傳感器、DS18B20溫度補(bǔ)償電路、LCD1602顯示電路、報(bào)警電路等組成。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)

14、距準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果表明，該系統(tǒng)誤差不超過3cm。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能可靠，精度高，實(shí)時(shí)顯示障礙距離等優(yōu)點(diǎn)，有一定的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：AT89S52；HY_SRF05；超聲波測(cè)距；溫度補(bǔ)償Abstract: The distance is a parameter that needs to be detected in different occasions. People have been studying and discussing the best way to realize the distance measurement. The principle of u

15、ltrasonic distance measurement is presented. Ultrasonic sensors are used as the core device and method of temperature compensation is introduced to realize the accurate measurement of distance from 5 centimeters to 360 centimeters. The system includes AT89S52 single chip, HY_SRF05 ultrasonic sensor,

16、 DS18B20 temperature compensation circuit, LCD1602 display circuit and alarm circuit. Test results show that the measurement error of the system is less than 3 centimeters. Because of the characteristics of simple structure, lost cost, reliable performance, high accuracy and real-time distance displ

17、ay of obstacles. The system has certain practical value. Keywords: AT89S52; HY_SRF05; Ultrasonic Ranging; Temperature Compensation目錄1 緒論11.1 課題背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀12 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理22.1 超聲波及其特征量22.1.1 超聲波22.1.2 超聲波基本波形32.1.3 聲速32.1.4 聲強(qiáng)32.2 超聲波傳感器32.3 超聲波測(cè)距原理52.4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)53 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)53.1.1 AT89S52單片

18、機(jī)簡(jiǎn)介63.1.2 時(shí)鐘電路73.1.3 復(fù)位電路83.2 超聲波發(fā)射電路93.3 超聲波接收電路113.4 HY_SRF05傳感器模塊電路123.5 LCD1602液晶顯示電路123.5.1 LCD1602液晶顯示器簡(jiǎn)介123.5.2 顯示電路133.6 溫度補(bǔ)償電路143.6.1 DS18B20溫度傳感器簡(jiǎn)介143.6.2 測(cè)溫電路153.7 蜂鳴器報(bào)警電路154 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)164.1 流程圖164.2 程序設(shè)計(jì)184.2.1 按鍵子程序設(shè)計(jì)184.2.2 DS18B20測(cè)溫子程序設(shè)計(jì)184.2.3 LCD1602顯示子程序設(shè)計(jì)195 軟件編譯及系統(tǒng)仿真195.1 軟件編譯195.2系統(tǒng)

19、仿真205.2.1 仿真環(huán)境205.2.2 仿真206 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析237 總結(jié)與展望247.1 總結(jié)247.2 展望24致謝25參考文獻(xiàn)26附錄127附錄228 1 緒論1.1 課題背景及意義傳統(tǒng)的測(cè)距方法在某些特殊條件下存在著很多不易解決的問題。例如，傳統(tǒng)的接觸式液位測(cè)量，由于電極長(zhǎng)期浸泡在液體中，所以存在易腐蝕、不便檢修和維護(hù)、失去靈敏性等問題。而應(yīng)用超聲波的液位測(cè)量具有非接觸、檢修和維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，徹底解決了傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量存在的問題。另外，超聲測(cè)距分辨率高、方向性強(qiáng)、適用范圍廣，并且?guī)缀醪皇芄饩€、煙霧、電磁干擾等因素的影響。超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人避障、工業(yè)控制、三

20、維精確定位、倒車?yán)走_(dá)、曲面形仿檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息容易檢測(cè)出來，具有較高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高。超聲波測(cè)距電路既可以由分立元器件搭建，但此種方法搭建的電路往往結(jié)構(gòu)龐大、可靠性差、調(diào)試?yán)щy、不易擴(kuò)展。基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)射和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償，其測(cè)量電路小巧、精度高、反映速度快、可靠性好。在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本課題的研究是非常有實(shí)用

21、和有商業(yè)價(jià)值的。1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 超聲換能器：以氣體為耦合介質(zhì)，在空氣中發(fā)射和接收超聲波進(jìn)行超聲檢測(cè)的檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)聲學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域。氣介超聲檢測(cè)技術(shù)主要具有兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是因?yàn)闅怏w在空氣中的波速較慢，所以氣體中聲波波長(zhǎng)短，在氣體中進(jìn)行測(cè)距具有更高的精度和分辨率；二是其非接觸式檢測(cè)方式，適合于無法使用其它耦合劑的其他應(yīng)用領(lǐng)域。超聲檢測(cè)技術(shù)在距離測(cè)量、室內(nèi)報(bào)警、導(dǎo)盲等方面得到了廣泛應(yīng)用。但氣介超聲檢測(cè)技術(shù)很久時(shí)間以來都沒有得到很好的展，其最主要的原因是，超聲波在氣體界面上的聲透射非常低，氣體的聲阻抗高達(dá)4000瑞利。另外，空氣中聲波頻率越高衰減越強(qiáng)、空氣中聲波波速隨溫度變化、空氣中檢測(cè)聲

22、波易受環(huán)境噪聲影響等原因也制約了氣介超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，但長(zhǎng)期以來限制氣介超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的恰巧是超聲換能器本身。由于空氣的聲阻抗和換能器材料的聲阻抗不同，導(dǎo)致嚴(yán)重的阻抗不匹配，從而空氣換能器的效率很低，頻帶也很窄，從而不能滿足一般超聲檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比、分辨率、靈敏度的要求。但最近一段時(shí)間以來，空氣換能器的研究伴隨著納米加工技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展也有了很大的發(fā)展。新型的采用多層匹配技術(shù)的壓電陶瓷空氣換能器和采用半導(dǎo)體硅工藝制成的電容式換能器在中心頻率、帶寬、插入損耗等特性都有非常大的改善，也促進(jìn)了氣介超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。目前常用的氣體耦合超聲換能器有靜電式空氣超聲換能器和壓電式超聲換能器，它們都

23、具有效率高、頻帶寬的特點(diǎn)。氣體耦合超聲換能器件的發(fā)展，使空氣中超聲檢測(cè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用利用脈沖回波檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)距離的非接觸測(cè)量。 超聲波回波信號(hào)處理方法：超聲波測(cè)距中，超聲波回波處理方法的優(yōu)劣，直接關(guān)系到回波前沿的定位精度和渡越時(shí)間的測(cè)量精度，進(jìn)而決定著超聲探測(cè)定位系統(tǒng)的精度和反應(yīng)速度。近年來，童峰、Yang Yichun、程曉亮、Figueroa、Lee、Homberg等先后在該方面做了大量研究。童峰等提出最小均方自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)（LMSTDE）的算法。該算法消去了實(shí)際換能器與理想換能器的頻率特性差，消除了信道由于斜向入射產(chǎn)生的傳遞特性對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生的影響，使整個(gè)系統(tǒng)保持平坦的頻率響應(yīng)，且

24、輸出均方誤差最小。但該算法計(jì)算量太大，特別在自適應(yīng)濾波器的階數(shù)高時(shí)，計(jì)算量明顯增加。Yang Yichun等針對(duì)傳統(tǒng)相關(guān)計(jì)算法在信號(hào)的采樣頻率很低時(shí)計(jì)算得出的相關(guān)函數(shù)分辨率低這一不足，提出了基于修正的線性調(diào)頻變換和相關(guān)峰細(xì)化原理的精確時(shí)延估計(jì)快速算法，精確計(jì)算相關(guān)函數(shù)的峰，使得低采樣信號(hào)的時(shí)延估計(jì)精度得以提高，并且不受采樣率的限制。 程曉暢等針對(duì)常規(guī)相關(guān)峰插值方法在多倍插值的情況下，計(jì)算復(fù)雜、時(shí)延估計(jì)精度差等缺陷，結(jié)合超聲回波信號(hào)的窄帶通特性和相關(guān)峰細(xì)化原理，提出了直接提取相關(guān)函數(shù)包絡(luò)和包絡(luò)峰細(xì)化的算法，并分析了計(jì)算復(fù)雜度; 并且還針對(duì)超聲波換能器的帶寬特性和單脈沖回波特性，對(duì) M 序列參數(shù)設(shè)

25、計(jì)方法進(jìn)行分析，他們借鑒雷達(dá)信號(hào)處理中的脈沖壓縮技術(shù)，提出了基于 FFT 的偽隨機(jī)碼包絡(luò)相關(guān)快速時(shí)延估計(jì)的算法，將信號(hào)解調(diào)與匹配相關(guān)融合，減少了計(jì)算量這三種算法均屬于互相關(guān)函數(shù)算法，與傳統(tǒng)互相關(guān)函數(shù)算法相比，它們均在提高時(shí)延估計(jì)精度的同時(shí)，避免了計(jì)算量的大幅增加。 卜英勇等根據(jù)回波信號(hào)的傳輸特征，利用小波分析法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，提出了基于小波包絡(luò)原理的峰值監(jiān)測(cè)方法 小波分析法是一種針對(duì)信號(hào)的時(shí)間-尺度（時(shí)間-頻率）進(jìn)行分析的方法，可以獲得平滑、有效的回波包絡(luò)曲線，進(jìn)而利用峰值檢測(cè)法確定回波前沿的到達(dá)時(shí)刻，具有高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。 付華等嘗試?yán)?Elman 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近真實(shí)函數(shù)，以期望提

26、高避障系統(tǒng)的測(cè)量精確度，降低避障系統(tǒng)的誤判率。Elman 網(wǎng)絡(luò)隱層采用了“tansig” 激活函數(shù)，輸出層選用了“pureline” 激活函數(shù)，從而只要有足夠的隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，網(wǎng)絡(luò)就能夠以任意精度逼近任意函數(shù)。試驗(yàn)證明，該方法在對(duì)超聲波測(cè)距傳感器進(jìn)行溫度、濕度補(bǔ)償后，其測(cè)量精度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 陳先中等基于能量重心校正法和最小二乘法的原理，提出了一種改進(jìn)型橢圓中心超聲回波尋峰的算法，即通過曲線擬合搜索回波信號(hào)能量集中點(diǎn)橢圓中心點(diǎn)，進(jìn)而找到回波信號(hào)的峰值點(diǎn)。與包絡(luò)線法和三次多項(xiàng)式法相比，此算法相對(duì)誤差穩(wěn)定在 0. 2%，適用于高精度工業(yè)測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)超聲波回波信號(hào)處理算法的研究已經(jīng)日漸

27、成熟，但其作為超聲波探測(cè)定位的關(guān)鍵技術(shù)，仍將是一個(gè)重要的研究方向。2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理2.1 超聲波及其特征量2.1.1 超聲波 通常將頻率高于人耳能聽到的聲波稱為超聲波，頻率為20-20000Hz的聲波能為我們的耳朵所聽到，所以頻率低于20Hz的聲波叫做次聲波，頻率高于20000Hz的聲波叫做超聲波。超聲波因其具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等特性，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這項(xiàng)被學(xué)術(shù)界、工程界所公認(rèn)的未來產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)之一的超聲技術(shù)，隨著物理、機(jī)械、電子、材料學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)步及許多邊緣或交叉工業(yè)領(lǐng)域的需求，近二十年來，這項(xiàng)高新技術(shù)得到迅速發(fā)展。2.1.2 超聲波基本

28、波形波是物體的粒子僅在其位置附近振動(dòng)，而不移動(dòng)到遠(yuǎn)方。波向遠(yuǎn)方傳播，只是粒子的振動(dòng)引起鄰近粒子的振動(dòng)。超聲波有三種不同的波形：橫波，質(zhì)點(diǎn)位移矢量垂直于波的傳播方向；縱波，質(zhì)點(diǎn)位移方向平行于波的傳播方向；表面波，質(zhì)點(diǎn)位移矢量由既不垂直于也不平等于波的傳播方向，沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?。橫波可以在空氣、液體、固體中傳播，而縱波只能在氣體中傳播。本超聲測(cè)距系統(tǒng)使用的就是縱波。2.1.3 聲速聲速即聲音在介質(zhì)中傳播的速度。由于氣體沒有切向彈性，只有體積彈性，因而在氣體中只能傳播縱波。對(duì)于任何氣體，即使是在線性聲學(xué)的條件下，給出聲波的傳播速度也比較復(fù)雜。因此我只能給出理想氣體聲速表達(dá)式： 由泰勒公式展開可近似為：

29、 將根據(jù)此聲速公式對(duì)超聲測(cè)距的聲速進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 式中：-氣體絕熱體積壓縮系數(shù)； P-周圍環(huán)境壓力 R-摩爾常數(shù)T-開爾文溫度 M-氣體分子量 C-攝氏溫度 -氣體定壓比熱和定容比熱比2.1.4 聲強(qiáng)聲強(qiáng)即聲音的強(qiáng)度，是指聲波每秒每平方厘米在波的傳播方向上所傳播的能量，聲強(qiáng)表達(dá)式為： 從聲強(qiáng)公式中可以看出，聲強(qiáng)和聲波振幅的平方成正比，和聲波頻率的平方也成正比，因而根據(jù)此聲強(qiáng)公式，為了使測(cè)量距離更遠(yuǎn)選擇頻率為40KHz的超聲波。2.2 超聲波傳感器超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，所謂壓電效應(yīng)就是在壓電陶瓷上加電壓就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，這種效應(yīng)稱為壓電逆效應(yīng)；相反，在壓電陶瓷上施加機(jī)械應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生電

30、荷，這種效應(yīng)稱為壓電順效應(yīng)。圖2.1示出了超聲波產(chǎn)生的機(jī)理（圖中示出的壓電振子的截面圖，它是超聲波傳感器的核心元件），這是將一枚陶瓷片與金屬片黏合在一起的一種結(jié)構(gòu)。若在其上加交流電壓，則產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而發(fā)送超聲波；相反，若這種傳感器接收到超聲波就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。一般情況下，無論是機(jī)械振動(dòng)的振幅，還是交變電場(chǎng)的振幅都非常小。但是，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率為某一值時(shí)，振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱為諧振頻率。圖2.1超聲波產(chǎn)生機(jī)理圖2.2示出了壓電陶瓷振子的等效電路與阻抗特性。當(dāng)壓電陶瓷不振動(dòng)時(shí)，可等效為一個(gè)平板電容C0，稱為靜態(tài)電容；其值決定于壓電陶瓷的幾何

31、尺寸和電極面積，一般約為幾到幾十pF。當(dāng)壓電陶瓷產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性等效為電感L，其值為幾到幾十mH。壓電陶瓷的彈性等效為電容C，其值僅為0.01到0.1pF，因此C<<C0。壓電陶瓷的摩擦損耗等效為電阻R，其值約為100，理想情況下R=0。等效電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率可表示為： 由于C<<C0，所以fpfs。只有在fs<f<fp的情況下，壓電陶瓷才呈感性；并且C和C0的容量相差愈懸殊，fs和fp愈接近，壓電陶瓷呈感性的頻帶愈狹窄。根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的表達(dá)式 由于C和R的數(shù)值很小，L的數(shù)值很大，所以Q值高達(dá)100001000000。而且，因?yàn)檎袷庮l率

32、幾乎僅決定于壓電陶瓷的尺寸，所以其穩(wěn)定度f/f0可達(dá)0.0000010.00000001。因此，壓電陶瓷的選頻特性是其它選頻網(wǎng)絡(luò)不能比擬的。圖2.2 壓電陶瓷振子等效電路超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收超聲波的雙重作用，即為可逆元件。市售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器（接收器）既可發(fā)送超聲波（接收超聲波），又可接收超聲波（發(fā)送超聲波）。市售超聲波傳感器的諧振頻率為23kHz、40kHz、75kHz等。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，分辨率也變高。2.3 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的方法有很多種

33、，例如，脈沖回波法、相位法、脈沖響應(yīng)-低通變換法和連續(xù)波調(diào)頻法。其中脈沖回波法即超聲波由超聲波發(fā)送模塊發(fā)出，在空氣中向前傳播，遇上障礙物后反射，反射回來后由超聲波接收模塊的接收端接收，通過控制電路計(jì)算超聲波從發(fā)送開始到接收停止之間的時(shí)間差t，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度c即可求出前方障礙物的距離s=ct/2。這里c是與環(huán)境攝氏溫度C有關(guān)的函數(shù)，在測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合需對(duì)超聲波速度c進(jìn)行溫度補(bǔ)償如圖2.3所示：圖2.3超聲波測(cè)距原理2.4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)共由五部分組成，如圖2.4所示。單片機(jī)控制系統(tǒng)選用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，超聲波傳感器HY_SRF05用于超聲波的發(fā)送以及回波

34、信號(hào)的接收，溫度傳感器DS18B20用于對(duì)外界環(huán)境溫度的采集，LCD用于對(duì)目標(biāo)與障礙物的距離進(jìn)行顯示，蜂鳴器用于當(dāng)距離小于一定值時(shí)報(bào)警。圖2.4系統(tǒng)框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行外圍設(shè)備和外設(shè)接口擴(kuò)展，即可組成復(fù)雜多變的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足各種設(shè)計(jì)需求。單片機(jī)最小系統(tǒng)中，最基本的組成部分是時(shí)鐘電路和復(fù)位電路3.1.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89S52是一款增強(qiáng)型51系列單片機(jī)。AT表示此芯片為Atmel公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，8表示此芯片為8051內(nèi)核芯片，9表示此芯片內(nèi)部有Flash EEPROM（帶電可擦寫可編程只讀

35、存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)器，S表示此芯片具有ISP在線編程功能（擁有可串行下載功能的Flash存儲(chǔ)器），2表示此芯片擁有8K內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。AT89S52還擁有256B的多功能復(fù)用型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4個(gè)8位I/O端口（分別為P0、P1、P2、P3），3個(gè)16位加計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（T0、T1、T2），6個(gè)中斷源（2個(gè)外部中斷源，可選擇低電平有效或下降沿有效；3個(gè)定時(shí)器/定時(shí)器溢出中斷源；一個(gè)串行口發(fā)送/接收中斷源），看門狗定時(shí)器，片內(nèi)晶振和時(shí)鐘電路。AT89S52 雙列直插式封裝（DIP）如圖3.1所示：圖3.1AT89S52引腳圖引腳介紹：VCC：電源GND：地RST：復(fù)位端，高電平有效復(fù)位，要想進(jìn)行復(fù)位操作，

36、需要在復(fù)位端上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期高電平XTAL1：諧振器端口1XTAL2：諧振器端口2 EA/VPP：內(nèi)外ROM選擇/編程寫入電源輸入端 PSEN：外部ROM選通信號(hào)ALE/PROG ：地址鎖存允許/編程脈沖輸入端P0口：可獨(dú)立控制的8位雙向I/O口，不能正常的輸出高/低電平（內(nèi)部沒有上拉電阻，為高阻態(tài)），所以在做輸入/輸出端口時(shí)，要串接上拉電阻P1口：內(nèi)部帶上拉電阻，可獨(dú)立控制的8位雙向準(zhǔn)I/O口（輸入不能鎖存，輸出也沒有高阻狀態(tài)），因?yàn)橄虼硕丝谳斎霐?shù)據(jù)時(shí)，必須首先向端口進(jìn)行寫1操作，然后單片機(jī)才能正常讀取外部信號(hào)，此外此端口的前兩位還有復(fù)用功能P2口：內(nèi)部帶上拉電阻，可獨(dú)立控制的8位雙向準(zhǔn)I

37、/O口（輸入不能鎖存，輸出也沒有高阻狀態(tài)），因?yàn)橄虼硕丝谳斎霐?shù)據(jù)時(shí)，必須首先向端口進(jìn)行寫1操作，然后單片機(jī)才能正常讀取外部信號(hào)，與端口1相似P3口：內(nèi)部帶上拉電阻，可獨(dú)立控制的8位雙向準(zhǔn)I/O口（輸入不能鎖存，輸出也沒有高阻狀態(tài)），因?yàn)橄虼硕丝谳斎霐?shù)據(jù)時(shí)，必須首先向端口進(jìn)行寫1操作，然后單片機(jī)才能正常讀取外部信號(hào)，與端口1相似，另外，端口3的每一位都有復(fù)用功能。如下表所示：端口引腳復(fù)用功能備注P3.010RXD串行輸入P3.111TXD串行輸出P3.212外部中斷0P3.313外部中斷1P3.414T0對(duì)外部事件脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)端0P3.515T1對(duì)外部事件脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)端1P3.616外部RAM寫

38、脈沖P3.717外部RAM讀脈沖3.1.2 時(shí)鐘電路單片機(jī)的工作過程是：從Flash ROM中取指令、譯碼、執(zhí)行指令過程中的各種微操作，這樣自動(dòng)地、一步一步地有序工作。而這一切工作都需要時(shí)鐘信號(hào)為單片機(jī)芯片內(nèi)部提供時(shí)間基準(zhǔn)。AT89S52單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)一般有兩種方式：一是AT89S52片內(nèi)高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩器與外部諧振電路方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式是由跨接在XTAL1端和XTAL2端之間的晶振和兩個(gè)負(fù)載電容組成。晶振和兩個(gè)負(fù)載電容構(gòu)成一個(gè)自激蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。負(fù)載電容一般取530pF，晶振一般取024M，經(jīng)典值取電容30pF，晶振值取12M

39、。電路如圖3.2所示：圖3.2時(shí)鐘電路外部時(shí)鐘方式是直接把外部時(shí)鐘信號(hào)通過XTAL1端引入單片機(jī)，XTAL2端懸空。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。3.1.3 復(fù)位電路復(fù)位是使單片機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)的初始化操作。對(duì)AT89S52單片機(jī)而言，只需復(fù)位端RST出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平即可完成復(fù)位操作。復(fù)位方式有上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、信號(hào)復(fù)位、程序監(jiān)視復(fù)位（看門狗）、電源監(jiān)測(cè)復(fù)位。上電復(fù)位即單片機(jī)上電時(shí)，復(fù)位端RST出現(xiàn)高電平，但隨著電容充電，RST端電平逐漸下降，但只要選擇合適的電容、電阻，使高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期，即可完成復(fù)位操作。手動(dòng)復(fù)位即單片機(jī)運(yùn)行過程中，通過手動(dòng)按鍵來完成復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)復(fù)位和上電自

40、動(dòng)復(fù)位組合方式。電路如圖3.3所示：圖3.3復(fù)位電路3.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路主要由振蕩電路與驅(qū)動(dòng)電路組成。振蕩電路產(chǎn)生超聲波傳感器工作需要的40kHz頻率。由于超聲波振子也有約2000pF的電容，有充電電流流通，因此，采用驅(qū)動(dòng)電路增大驅(qū)動(dòng)電流，有效驅(qū)動(dòng)超聲波振子發(fā)送超聲波。即使用方波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于超聲波發(fā)射器的Q值很高，僅基波信號(hào)起作用，高次諧波無影響，發(fā)射器上可以得到交流正弦波。圖3.4為采用施密特觸發(fā)器（74HC14）構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路，電路簡(jiǎn)單。74HC14中的G1與C1和（R1+RP1）構(gòu)成振蕩電路，振蕩頻率f0=1/C1（R1+RP1）。電路中，采取2.2k固定電阻R1

41、與1k可調(diào)電阻RP1，對(duì)振蕩頻率進(jìn)行調(diào)整。74HC14中G2G6構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，從而增大驅(qū)動(dòng)電流。電容C2用于減小發(fā)射信號(hào)的頻帶，使得整個(gè)發(fā)射信號(hào)抗干擾能力更強(qiáng)。圖3.4采用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖3.5（a）為采用四與非門（CD4011）構(gòu)成的超聲波發(fā)送電路。G1和G2等構(gòu)成多諧振蕩電路，振蕩頻率f0=1/C1（R1+RP1）。CD4011的工作電壓為318V，若電源電壓為15V，則可得到峰-峰值為15V的傳感器驅(qū)動(dòng)電壓。電路中，采取4.7k固定電阻R1與10k可調(diào)電阻RP1，對(duì)振蕩頻率進(jìn)行調(diào)整。G3與G4構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，為了增大驅(qū)動(dòng)電流，可以采用CD4096中三個(gè)反相器并聯(lián)，如圖3.

42、5（b）所示。對(duì)G3的一個(gè)輸入端進(jìn)行控制，可以控制40kHz的輸出，因此，晶體管VT1的基極加控制信號(hào)，就可對(duì)振蕩進(jìn)行控制?？刂菩盘?hào)為低電平時(shí)，發(fā)射超聲波；高電平時(shí)停止發(fā)射超聲波。圖3.5（a）采用四與非門構(gòu)成的超聲波發(fā)送電路圖3.5（b）增大驅(qū)動(dòng)電流的電路實(shí)際上，本系統(tǒng)是由單片機(jī)產(chǎn)生兩路相位相反的40kHz方波，兩路同時(shí)通過MAX232泵放大后疊加在超聲波發(fā)射兩端，得到的電壓幅值在10V以上。如圖3.6所示圖3.6本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)和MAX232組合方式。3.3 超聲波接收電路超聲波接收電路主要是完成對(duì)發(fā)送電路發(fā)出的超聲波回波信號(hào)的接收、放大、濾波、整形以及實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行外部中斷觸發(fā)。超聲波

43、接收傳感器收到的回波是微軟的mV的電壓信號(hào)，所以要把這個(gè)mV級(jí)的微弱信號(hào)放大。另外，由于輸入信號(hào)為正弦波，因此必須將放大電路設(shè)計(jì)成交流放大電路。為了減少負(fù)電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號(hào)的放大和變換采用了一片LM324通用運(yùn)算放大器，第一、三級(jí)為放大器設(shè)計(jì)，第二級(jí)為多重反饋有源帶通濾波器設(shè)計(jì)，為滿足交流信號(hào)的需要，每一級(jí)均采用阻容電路進(jìn)行電平偏移。第四級(jí)電壓比較得到方波信號(hào)經(jīng)反相后給單片機(jī)接收處理。如圖3.7所示圖3.7超聲波接收電路3.4 HY_SRF05傳感器模塊電路超聲波的發(fā)射和接收采用HY_SRF05 模塊，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。其具有測(cè)量范圍廣（2450cm

44、）、測(cè)量精度高（3mm）、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給至少10s的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz 的方波，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)，回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)的時(shí)間間隔可以計(jì)算出距離。測(cè)量周期應(yīng)為60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)產(chǎn)生影響。模塊中ECHO是信號(hào)接收引腳，有信號(hào)返回時(shí)，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。HY_SRF05模塊引腳如圖所示。用P3.2接HY_SRF05模塊的ECHO引腳，P3.7接模塊的TRIG引腳。電路如圖

45、3.8所示圖3.8HY_SRF05傳感器模塊電路3.5 LCD1602液晶顯示電路顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與外界重要的交互設(shè)備。常用的顯示器有發(fā)光二極管顯示器（LED）、液晶顯示器（LCD）。液晶是一種高分子材料，是由有機(jī)化合物構(gòu)成，因?yàn)槠渚哂幸话阄镔|(zhì)不具有的一些物理性質(zhì)（在通電的條件下，液晶分子進(jìn)行有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)），而在顯示器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。液晶具有功耗低、顯示操作簡(jiǎn)單、體積小、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。3.5.1 LCD1602液晶顯示器簡(jiǎn)介L(zhǎng)CD1602是工業(yè)上最常使用的一款液晶顯示器。LCD即Liquid Crystal Display（液晶顯示器），16表示此液晶顯示器每行可以顯示16個(gè)字符，0

46、2表示此液晶顯示器可以顯示兩行。LCD1602可以顯示英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、日文假名等160個(gè)字符，這些字符存儲(chǔ)在字符存儲(chǔ)器中，其中每一個(gè)字符和唯一的一個(gè)代碼相對(duì)應(yīng)。另外還有8個(gè)供用戶自定義的字符。 引腳介紹：GND：地VCC：電源VL：用以調(diào)節(jié)液晶對(duì)比度的液晶偏壓信號(hào)RS：數(shù)據(jù)/指令控制端（高電平時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)操作，低電平時(shí)執(zhí)行指令操作）RW ：讀寫控制端（高電平時(shí)執(zhí)行讀操作，低電平時(shí)執(zhí)行寫操作）E：使能端D0_D7：雙向數(shù)據(jù)端口BLA：背光電源正極BLK：背光電源負(fù)極顯示原理：液晶顯示器的每個(gè)字符由M×N的點(diǎn)陣構(gòu)成（通常通過程序設(shè)置為5×7點(diǎn)陣），而一個(gè)字符的顯示

47、過程就是點(diǎn)陣的相應(yīng)點(diǎn)被點(diǎn)亮的過程。LCD1602液晶顯示器內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)預(yù)置了160個(gè)字符的點(diǎn)陣信息。另外還有8個(gè)字節(jié)的CGRAM供用戶存儲(chǔ)自定義字符的點(diǎn)陣信息。LCD1602內(nèi)部有一個(gè)80字節(jié)的RAM緩沖區(qū)（地址為00H27H，40H67H），其中00H0FH、40H4FH地址分別映射到液晶顯示器的第一行的116個(gè)位置、第二行的116個(gè)位置。若想在液晶顯示器某一位置上顯示一個(gè)字符，只需把存儲(chǔ)在字符發(fā)生器的點(diǎn)陣信息寫進(jìn)液晶顯示器的RAM地址即可。液晶顯示器控制指令如下表所示：指令指令代碼功能RSRWD7D0復(fù)位0000000001顯示器清屏，數(shù)據(jù)指針清零輸入模式設(shè)置00

48、00000110寫入一個(gè)字符后，地址指針自動(dòng)遞增顯示設(shè)置0000001100開顯示器，不顯示光標(biāo)顯示設(shè)置0000111000設(shè)置16×2顯示方式，每個(gè)字符有5×7個(gè)點(diǎn)陣組成顯示設(shè)置0010000000定位數(shù)據(jù)指針3.5.2 顯示電路如圖3.9所示，LCD1602液晶第1、2引腳接驅(qū)動(dòng)電源；第3引腳VL通過一個(gè)10k電位器接地來調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度；第4引腳接單片機(jī)的P1.0口；第5引腳接P1.1口，其實(shí)我們不從液晶讀取任何數(shù)據(jù)，只向其寫入命令和顯示，因此此端始終選擇為寫狀態(tài)，即低電平接地；第6引腳接P1.2口；第714引腳接P0口，AT89S52單片機(jī)的P0口內(nèi)部沒有上拉電阻

49、，為高阻態(tài)，因而不能正常地輸出高低電平，是以單片機(jī)在和液晶顯示器連接時(shí)，需在P0口加上10k的上拉電阻。第15、16接驅(qū)動(dòng)電源。圖3.9顯示電路3.6 溫度補(bǔ)償電路3.6.1 DS18B20溫度傳感器簡(jiǎn)介溫度傳感器是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫膫鞲衅髦弧ｋS著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫度傳感器也從傳統(tǒng)的模擬傳感器逐步向數(shù)字化、微型化、集成化發(fā)展。目前，特別是由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的采用單總線協(xié)議的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，因其獨(dú)特的特性，在工程設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。DS18B20具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.采用單總線協(xié)議，僅需一線即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)間的雙向通信2.測(cè)溫范圍寬 3.編程可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫4.可

50、實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫（每個(gè)DS18B20有一個(gè)惟一的64位光該ROM，包括8位產(chǎn)品類型號(hào)，每個(gè)DS18B20唯一擁有的48位序列號(hào)，8位前面56位的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼）5.溫度轉(zhuǎn)換速度快6.抗干抗能力強(qiáng)引腳介紹：GND：地DQ：總線VDD：電源測(cè)溫原理：DS18B20內(nèi)部包含一個(gè)對(duì)溫度變化不敏感的低溫度系數(shù)振蕩器和一個(gè)對(duì)溫度變化敏感的高溫度系數(shù)振蕩器，每個(gè)振蕩器都有一個(gè)減計(jì)數(shù)器相對(duì)應(yīng)，還有一個(gè)用來補(bǔ)償振蕩器非線性的斜坡式累加器和一用來保存溫度值的溫度寄存器。每次溫度測(cè)量前，首先會(huì)將溫度寄存器和低溫度系數(shù)振蕩器預(yù)置-55所對(duì)應(yīng)的基數(shù)值，而高溫度系數(shù)振蕩器會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度確定一個(gè)振蕩周期。然后低溫度系

51、數(shù)振蕩器開始開始振蕩，而對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器對(duì)振蕩脈沖進(jìn)行減計(jì)數(shù)，至到計(jì)數(shù)器中被預(yù)置的值減為0，此時(shí)溫度寄存器的值加1，而低溫度系數(shù)振蕩器的值重新被預(yù)置到55所對(duì)應(yīng)的基數(shù)值，如此重復(fù)至到高溫度系數(shù)振蕩器停振，此時(shí)溫度寄存器的值就是所要測(cè)的溫度值。DS18B20控制指令如下表所示：指令指令代碼功能讀ROM33H讀取DS18B20溫度傳感器的ROM序列號(hào)匹配ROM55H與總線上ROM序列號(hào)相同的傳感器建立連接搜索ROMF0H確定總線上DS18B20傳感器的數(shù)目跳過ROMCCH總線上只有一個(gè)DS18B20傳感器，可以忽略ROM溫度轉(zhuǎn)換44H把測(cè)量溫度值轉(zhuǎn)換成2進(jìn)制數(shù)存儲(chǔ)在高速緩存器RAM讀溫度寄存器BEH讀

52、取存儲(chǔ)在高速緩存器RAM的溫度值3.6.2 測(cè)溫電路DS18B20溫度傳感器有兩種供電方式：一是寄生電源方式，二是VDD電源引腳供電方式。寄生電源方式即DS18B20溫度傳感器不需要通過電源供電，而是當(dāng)I/O、VDD電源引腳為高電平時(shí)，從I/O、VDD電源引腳“偷”能量。寄生電源方式有很多好處，例如，進(jìn)行距離測(cè)溫時(shí)，不需要本地電源供電，很大程度上解決了功耗和布線問題，另外，可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀ROM。不過寄生電源方式也有很多缺點(diǎn)，例如，當(dāng)I/O口供電不足時(shí)，溫度轉(zhuǎn)換的精度將受到影響。本設(shè)計(jì)采用第二種供電方式。測(cè)溫電路如圖3.10所示，第1、3引腳接驅(qū)動(dòng)電源；第2引腳接P3.1口，由于所

53、有的設(shè)備通過漏極開路端連在總線上，需要一個(gè)4.7k上拉電阻。圖3.10測(cè)溫電路3.7 蜂鳴器報(bào)警電路蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。有源型蜂鳴器內(nèi)部有振蕩源，只要通以直流信號(hào)，其就會(huì)發(fā)出聲音。而無源型蜂鳴器則不能用直流電驅(qū)動(dòng)，必須用220KHz的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)。報(bào)警電路如圖3.11所示，當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，發(fā)射極反偏、集電極反偏，三極管失去了放大作用而工作在截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不工作；當(dāng)輸出低電平時(shí)，發(fā)射極正偏、集電極反偏，三極管工作在導(dǎo)通狀態(tài)，蜂鳴器報(bào)警。圖3.11報(bào)警電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，匯編語(yǔ)言具有時(shí)間、空間效率高等優(yōu)點(diǎn)。而使用匯編語(yǔ)言編程也會(huì)遇到很多問題，例如，移植性差、可讀性差、難維護(hù)。高級(jí)語(yǔ)言C編程相于對(duì)匯編語(yǔ)言具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.用C語(yǔ)編寫的程序可讀性強(qiáng)，2.在不了解單片機(jī)指令系統(tǒng)而僅熟悉單片機(jī)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)就可以開發(fā)單片機(jī)程序，3.寄存器分配和不同存儲(chǔ)器尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理，4.程序可分為多個(gè)不同函數(shù)，這使程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化，5.函數(shù)庫(kù)豐富，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，6.程序編寫及調(diào)試時(shí)間大大縮短，開發(fā)效率遠(yuǎn)高于匯編語(yǔ)言，7.